Quorum Sensing

Zell-Zell-Kommunikationsmechanismus, mit dem Bakterien ihre eigene Anzahl zählen, indem sie ein Signalmolekül produzieren, dass sie in ihre Umgebung exportieren und dessen Anhäufung feststellen können

• Bakterien können kommunizieren

• Bakterien haben eine multizelluläre Verhaltensweise

• Bakterien können sich selber von anderen unterscheiden

Lumineszent

—> Aktivität der Luciferase ist von der Dichte der Population abhängig

• Kultur von biolumineszierenden Bakterien (Vibrio fischeri) in einem frischen Medim wachsen lassen

• einmal hat man die Flüssigkultur bei einer hohen OD und einmal bei einer niedrigen OD gefiltert

• die Medien die man aus den jeweiligen Filteschritten bekommen hat, wurden erneut mir Zellen beimpft

• man hat die beiden Kulturen erneut wachesn lassen und die Lumineszenz gemessen

• die Bakterien die in dem Medium gewachsen sind, das aus einer hohen OD entnommen wurden, wiesen deutlich höhere Lumineszenz auf als die Bakterien die in dem Medium gewachsen sind, welches von der gerinen OD entnommen wurde

—> Schuussfolgern kann man daraus, dass sich in dem verbrauchtem Medium ein Inducer befindet der die Lumineszenz induziert

Quorum Sensing wird durch die Produktion, Freisetzung, Akkumulation und gruppenweite Erkennung von extrazellulären Molekülen, den sogenannten Autoinduktoren, vermittelt

1. Nachtzyklus (Aktivierung der Lumineszenz während der Nacht)

   • Freisetzung von Nährstoffen aus dem Tintenfischreservoir für die Bakterien

   • Anstieg der Bakteriendichte im Leuchtorgan

   • Autoinducer werden freigesetzt und Lumineszenz findet in der Nacht statt

2. Tagzyklus (Deaktivierung der Lumineszenz während des Tages)

   • verringerte Freisetzung von Nährstoffen

   • Verlangsamung des Wachstums und der Vermehrung der Bakterien —> keine Lumineszenz

   • Ausscheidung überschüssiger Bakterien zur Regulierung der Dichte

• LuxI ist die Autoinducer Synthase

  • produziert die Acyl-Homoserin Lactone (AHL) autoinducer

• Autoinducer werden freigesetzt

• LuxRi ist der Zytoplasmatische Autoinducer-Rezeptor

• Autoinducer bindet an LuxR (Regulator) und akiviert LuxR-Proteine

• transcriptional activator bindet an target genes die für Luciferase codiern

• Lux-Operon besteht aus 7 genen

• LuxI ist eine Synthase —> syntethisiert Acyl-Homoserin Lactone (Autoinducer)

• AI diffunidert in das Medium und akkumuliert sich

• wenn es eine gewisse Konzentration erreicht hat, diffundiert AI zurück in die Zelle und binder and as Aktivator-Protein LuxR

• das führt zu einer erhöhten Transkription des Lux-Operons

katalysiert die sauerstoffabhängige Umsetzung eines ALdehyds zu Carbonsäure wobei FMNH2 oxidiert wird und Licht entsteht

• TraR —> bindet Autoinduer und DNA

• QscR —> bindet Autoinducer

• CviR —> bindet an Inhibitor Chloracetone

—> meistens Transkriptions-Aktivatoren

• alle sind Dimere und haben eine DNA-bindende Domäne (carboxy-terminal DNA-binding) und eine Ligand-bindende Domäne (amino-terminal AHL-binding)

• TraR nimmt asymmetrischen Dimer an und QscR und CviR haben fast symmetrische Architektur der Untereinheiten

• Virulenz

• Biofilmbildung

• Sporulationi

• Motilität

• Eisenchelation

• Naturstoffproduktion

• Acyl-Homolaktone (AHL)

• Oligopeptide

• Autoinduktor-2 (AI-2)

• Quinolone

• LuxI/LuxR-Typ in Gram-negativen Bakterien, wo Acyl-Homoserin Lactone genutzt werden

• Oligopeptide-Zwei-Komponenten-System in Gram-positiven Bakterien, wo kelien Peptide genutz werden

• luxS-codierte AI-2, sowohl in Gram-positven- und negativen Bakterien

System 1:

• besteht aus LuxM-abhängigem Autoinduktor HAI-1 und dem HAI-1-Sensor NuxN

• bei geringer Zelldichte (Abwesenheit von AI) autophosphorylieren und übertragen LuxN und LuxQ Phosphat auf das Phosphotransferase-Protein LuxU und anschließend LuxO

• LuxO ist in Verbindung mit Sigma-Faktor54 aktiv und aktiviert Gen-Expression für sRNA die LuxR-mRNA destabiliseren (luxR ist für Quorum Sensing notwendig)

  —> keine Lumineszenz bei geringer Zelldichte

System 2:

• besteht aus LuxS-abhängigen Autoinduktor AI-2 und AI-2-Detektor LuxPQ

• bei hoher Zellldichte (Anwesenheit von Autoinduktoren) wechseln LuxN und LuxQ von Kinasen zu Phosphatasen

• Phosphatdurchfluss im System wird umgekehrt

• LuxO wird dadruch das Phosphat entszogen und somit inaktiviert und kann sRNA nicht mehr produzieren

• Translation von luxR-mRNA kann stattfinden

• LuxR bindet an Lux-Promotor Tranlation findet statt

  —> Lumineszenz bei hoher Zelldichte

• lasI Mutante hat einen dünneren und mehr einheitlichen Biofilm

• lasI Mutante mit Zugabe von AI ähnelt dem Wildty, da der Rezeptor vorhanden ist und der hinzugegebene Autoinducer daran binden kann und somit quorum sensing stattfinden kann

• Kommunikation innerhalb einer Spezies

• die meisten Peptide-Quorum-Sensing-Signal werden von einen Precurser-Peptide gespalten und dann modfiziert

• können nicht durch Membran diffundieren sondern benötigen Exporter

• Sensor-Kinase (HK - Histidin-Kinase) erkennt Autoinduktoren

• Durchläuft Autophosphorylierung bei Bindung der Autoinduktoren

• Überträgt das phosphorylierte Signal auf einen Response-Regulator

• Bindet an DNA und reguliert die Genexpression

• Aktiviert oder reprimiert die Transkription von Zielgenen.

• Koordiniertes Verhalten basierend auf Bakteriendichte

System für Kompetenz:

• ComX als AI wird über ComQ (Effluxpumpe) nach außen transportiert

• Histidin-Sensor-Kinase ComP bindet ComX

• Autophosphorilierung von ComP und Phosphate-Transfer auf response regulator ComA

  —> aktivierung der Kompetenz-Gene

System für Sporulation und Kompetenze

• oligopeptide autoinducer CSF (competence and sporulation) wird über Opp (peptide transporter) in Zelle eingeführt

• bei geringer intrazellulärer Konzentration von CSF

  • CSF bindet an RapC und unterbricht die Bindung von RapC an ComA

    —> Kompetenz Entwicklung

• bei hoher intrazellulärer Konzentration von CSF

  • CSF inhibiert ComP-ComA Signal Kaskade

    —> Reduizieurng der Kompetnez und bevorzugte Sporulation

  • CSF kann Sporulation direkt fördern indem es RapB-vermittelre dephosphorilierung des response regulators Spo0F inhibiert

Dysbiose (auch Dysbakteriose genannt) ist gekennzeichnet durch eine Störung des Mikrobioms, die zu einem Ungleichgewicht der Mikrobiota, Veränderungen ihrer funktionellen Zusammensetzung und Stoffwechselaktivitäten oder einer Verschiebung ihrer lokalen Verteilung führt.

z.B. durch Antibiotika

—> nicht nur die pathogenen Bakteren werden bekämpft sondern auch die nützlichen, was zu einem Ungelichgewicht der Bakteriengemeinschaft führt = Dysbiose

Zugabe von genetisch modifiziertem E. coli und Autoinducer wodurch sich die Bakteriengemeinschaft wieder erholen kann

• Bakterium Blautia obeum produziert DPO

• DPO ist ein Autoinducer die die Besiedlung durch Vibrio cholerae inhibert

• Quorum Sensing der Pathogene wird gestört —> Veränderte Kommunkation, Veränderte Genexpression, …